Dankzij draaihekje telt apparaatje een voor een 70 miljoen elektronen af

Een willekeurige stroommeter doet eigenlijk niets anders dan elektronen tellen, maar het microscopisch kleine elektronentellertje dat onlangs aan het National Institute of Standards in Boulder, Colorado werd ontwikkeld, kan dat wel héél nauwkeurig: het is in staat om, tot op het elektron precies, 70 miljoen elektronen op een condensator - een soort opslagvat voor lading - te parkeren.

Het centrale gedeelte van het telmechanisme wordt gevormd door een soort draaihekjes voor elektronen, waar er bovendien per keer steeds maar één tegelijk doorheen kan. Dat alles is uitgevoerd op een chip in de vorm van aluminium eilandjes van ongeveer een duizendste millimeter, die met elkaar verbonden zijn door tien keer zo dunne verbindingsstukjes van aluminiumoxide. Op elk eilandje is steeds maar plaats voor één extra elektron, maar die elektronen kunnen wel overspringen van eiland naar eiland door te tunnelen.

Tunnelen treedt op bij zeer lage temperaturen, in dit geval beneden de 0,1 K, in een materiaal waarin twee geleiders gescheiden zijn door een uiterst dun isolerend laagje. Elektronen kunnen deze isolerende barrière niet zomaar passeren, en daarom wordt er lading opgebouwd aan het oppervlak van één van de twee geleiders. Wanneer zo voldoende lading is verzameld, kan een elektron overschieten en daardoor wat spanning wegnemen. Steeds zal precies één elektron oversteken. Dit is het gevolg van de Coulomb-blokkade, een in 1951 door de Leidse fysicus Gorter beschreven effect. Deze blokkade weerhoudt andere elektronen ervan het voorbeeld van de eerste te volgen.

Het tellen van elektronen heeft een aantal belangrijke toepassingen. Door heel nauwkeurig een hoeveelheid lading op een condensator te zetten, en vervolgens de spanning te meten, kan een (internationale) standaard voor de capaciteit worden verkregen, de inhoud van zo'n condensator. En hoe nauwkeuriger de standaard, des te beter allerlei andere meetapparatuur daarmee kan worden geijkt. Dat is nodig ook, want de structuren op computerchips worden steeds kleiner. Er zijn echter ook belangrijke quantummechanische toepassingen. Als een lading uiterst precies bekend is, kan de zogenaamde fijnstructuurconstante, een belangrijke quantummechanische grootheid, beter worden bepaald. Deze constante, die gerelateerd is aan de sterkte van de elektromagnetische krachten in een atoom, wordt binnen de quantumelektrodynamica (QED) gebruikt voor de berekening van een groot aantal andere fysische grootheden. Wellicht zal dus met de nu in Colorado ontwikkelde teller deze al zo bijzonder nauwkeurige theorie nog weer verder kunnen worden verfijnd.